小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计

课程设计（论文）任务书课程名称：专业综合设计2 __ 学院：机械学院班级：机电07-4一、题目小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计二、目的与意义《专业综合设计2》课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。

通过本次课程设计，培养学生运用所学《机电装备设计》课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力；培养学生用《机电装备设计》的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力；通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练；通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。

三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）技术参数1、主轴箱垂直提升行程：400；2、主轴箱尺寸：长×宽×高＝400×300×200；3、主轴箱总重：800N；4、最高运行速度：步进电机运行方式：空载：0.6m/min; 切削：0.2m/min；交流伺服电机运行方式：空载：8m/min;切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式±0.10mm；半闭环模式±0.01mm；7、切削负载：X向400N；Y向600N；Z向1000N设计要求1、实现垂直平稳升降，具有快速升降功能；2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；3、工作时离合器脱开，主轴不工作时，离合器锁死，主轴箱停在任意位置；4、具有行程越位报警功能；5、采用滚动导轨块作支承；6、具有断电锁紧功能。

图纸量和工作量要求1、机械总装配图在CAXA环境下绘制主轴箱升降制动装置设计的结构图，并进行详细修改和设计，最后用A1号图纸打印输出。

2、硬件电路图控制芯片可采用8031、80C31或基于PLC的运动控制技术，在Protel 99环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为A2～A1为宜。

3、设计说明书要严格按照内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范认真撰写，说明书不少于6000字。

四、工作内容、进度安排1、总体设计分析、确定方案、设计计算------- --0.5周2、机械部分结构设计、装配图绘制----------------1.0周3、硬件电路设计----------------------------------------0.5周4、撰写说明书---------------------------------------------5天5、答辩-------------------------------------------------------2天五、主要参考文献[1] 林述温等. 机电装备设计[M].北京：机械工业出版社，2002.[2] 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）[M].北京：机械工业出版社，1986.[3] 王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，1999.[4] 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京：机械工业出版社，20097[5] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL]. 汉意精工..[6] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL].天津海特传动机械有限公司.[7] 步进电机及驱动器[OL].北京斯达微步控制技术有限公司.[8] 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统[OL].步进机电有限公司.[9] 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器[OL].深圳市湘聚事业有限公司，[10] RORZE高精度步进电机及驱动器[OL].北京伟恒升级团.[11] 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器[OL].广州菱科自动化设备有限公司：[12] 日本富士、美国Copley等交流伺服电机[OL].重庆钧智自动化仪器控制有限公司[13] 山东博特精工股份有限公司：/index.asp[14]台达交流伺服电机等. [OL].台湾电子工业股份有限公司:/审核意见系（教研室）主任（签字）指导教师下达时间 2009 年 12 月 21 日指导教师签字：_______________摘要小型数控卧式镗铣床主轴箱沿着X轴升降。

数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的升降系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。

机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。

本文通过对小型数控卧式镗铣床主轴箱的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。

本说明书简要明确的说明了小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计的过程及内容，包括机械传动系统和电气控制系统的设计，其中机械传动系统部分包含了确定系统脉冲当量和切削力，滚珠丝杠螺母副的计算和选型，电机的计算和选型。

本次课程设计，主要设计和研究小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置及其电气原理图。

确定小型数控卧式镗铣床主轴箱升降的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。

利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS—51单片机设计其硬件电路图。

关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；MCS—51单片机目录第一章总体设计方案 (3)1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择 (3)1.2机械传动方式 (3)1.3电气控制系统方案设计 (3)第二章主轴箱升降进给伺服系统设计计算 (4)2.1 确定系统脉冲当量 (4)2.2 确定系统切削力 (4)2.3 滚动导轨副的计算和选型 (4)2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 (5)2.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (6)2.4.1滚珠丝杠螺母副的计算 (6)2.5 联轴器的选型 (10)2.6 步进电机变速箱的选用 (10)2.7 步进电机的计算与选型 (11)2.7.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 (11)2.7.2初选步进电动机 (11)2.7.3步进电动机最大静转矩的选定 (14)2.7.4步进电动机的性能校核 (14)2.7.5起动频率的计算 (15)第三章微机数控系统硬件电路设计 (16)3.1 计算机系统 (16)3.2 单片微机数控系统硬件电路设计内容 (16)3.2.1 绘制电气控制系统框图 (16)3.2.2 选择CPU的类型 (17)3.2.3 存储器扩展电路的设计 (17)3.2.4 I/O接口电路设计 (18)3.3 各类芯片简介 (18)3.3.1 8031芯片简介 (18)3.3.2 373芯片简介 (18)3.3.3 6264芯片简介 (19)3.3.4 2764芯片简介 (19)3.3.5 8155芯片简介 (19)3.3.6 8255芯片简介 (19)3.4 存储器扩展电路设计 (20)3.4.1 程序存储器ROM的扩展 (20)3.4.2 数据存储器RAM的扩展 (20)3.4.3 译码电路的设计 (21)3.5 I/O接口电路的设计 (21)3.5.1 8155通用可编程接口芯片 (21)3.5.2 8255可编程接口芯片 (22)3.5.3 键盘显示接口电路 (22)3.6 8031的时钟电路 (23)3.7 复位电路 (23)3.8 越界报警电路 (24)3.9 掉电保护电路 (24)3.10 控制系统的功能 (24)3.11 控制系统的工作原理 (24)参考资料 (26)第一章总体方案设计1.1 系统的运动方式与驱动系统的选择为了实现镗铣床主轴箱升降和制动，运动定位、暂停、急停等功能，故选择连续控制系统。

考虑到对工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用交流伺服电机进行驱动。

半闭环控制系统如图1-1所示。

驱动单元步进电机执行部件图1-1开环环控制系统1.2 机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机传动丝杠。

为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

1.3电气控制系统方案设计单片机方案根据设计要求，采用8位微机。

由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，高性价比等特点，故采用MCS—51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案设计如图1-2所示。

图1-2 小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案第二章主轴箱升降进给伺服系统设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服（步进）电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。

现分述如下：2.1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。

根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。

2.2 确定系统切削力根据设计要求，机床的切削负载为：X向400N；Y向600N；Z向1000N。

2.3 滚动导轨副的计算和选型目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小（0.0025～0.005）；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，故选滚动导轨。

滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。

2.3.1滚动导轨副的额定寿命1）作用于滚动直线导轨副工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。

对于升降工作台，多采用双导轨、四滑块的支承结构。